3-P-2[SS]结构FDM-3D打印机精度校准补偿算法

3-P-2[SS]机构FDM-3D打印机结构复杂,由于零部件加工和装配造成的结构误差,依靠三角函数解算动平台位置运动参数难以保证定位精度。通过对机构模型的逆运动学分析,推导了运动副垂直滑动计算公式,提出了一种动平台垂直误差补偿方法,对动平台在构建平台上运行区域进行了分析仿真,利用反距离加权插值算法,基于初始基准层打印高度采样,在机构运动约束条件下推导出动平台垂直精度补偿公式,通过实验验证了参数优化后设备成型过程中的定位精度获得很大提高,打印各厚度实验件的成型尺寸误差控制在±0.03mm以内,有效提高了成型件成型精度。

机器人弯制澳丝的回弹机理分析及实验研究

错颌畸形是一种常见的口腔疾病,固定矫治技术是目前常见且有效的正畸治疗的方法,其中正畸弓丝的弯制是固定矫治技术的关键部分。由于弓丝的超弹性、成形弓丝的形状复杂性和手工操作的不确定性,难以实现快速、精确的个性化正畸弓丝的弯制。提出采用机器人实现正畸弓丝弯制,利用机器人的位姿精确控制能力和刚性保持能力克服弓丝的超弹性,实现弓丝弯制。基于弓丝弯制原理的分析,进行了澳丝弯制回弹过程分析。从考虑弯曲过程中中性层内移和弯曲力臂影响的角度出发,以澳丝拉伸试验所得材料本构模型为基础,进行了澳丝弯曲中性层曲率半径和弯曲力矩的计算,进而建立了澳丝的弯曲回弹理论计算模型。基于正畸弓丝回弹测量仪进行了澳丝弯曲回弹实验研究,结果验证了澳丝弯曲回弹理论计算模型的正确性。针对一例患者的口腔参数,基于正畸弓丝弯制机器人实验系统,进行了澳丝弯制实验研究,实验结果满足口腔治疗的要求,结果验证了该机器人样机的有效性和实用性。

基于有限点展成法的正畸弓丝成形控制点规划

错颌畸形是目前常见的口腔疾病,固定矫治是治疗错颌畸形的有效方法,其中固定矫治技术的关键是正畸弓丝的精确化弯制。机器人利用其位姿的精确控制能力可以实现精确化的弓丝弯制,其中弓丝成形控制点的规划决定了机器人弯制正畸弓丝的成形精度。基于分段式的正畸弓丝数学模型,提出采用有限点展成法实现正畸弓丝成形控制点的位置规划,对基于有限点展成法的正畸弓丝成形控制点位置规划方案进行实验验证,对不同弦弧围成面积下弦弧差值对控制点数目和面积误差的影响规律,以及控制点数目和面积误差之间的关系进行了讨论,并提出基于斜率法的正畸弓丝成形控制点角度规划策略。基于患者临床口腔数据,利用自行设计的正畸弓丝弯制机器人实验系统,通过正畸弓丝弯制实验验证了正畸弓丝成形控制点位置和角度规划策略的有效性。

机器人弯制正畸弓丝成形控制点规划及实验研究

错颌畸形是目前危害人类健康的第三大口腔疾病,固定矫治是一种常用且有效的正畸治疗手段,其中矫治弓丝的弯制是重要部分。机器人以其精确的位姿控制和刚性保持能力可以克服弓丝的超弹性实现弓丝弯制。基于幂函数模型建立了分段式的正畸弓丝数学模型,提出采用增量法实现正畸弓丝成形控制点的规划,进行了增量法实现正畸弓丝成形控制点规划策略的研究。通过正畸弓丝成形控制点规划实验,分析不同等分数下初始精度值对控制点数目和面积误差的影响规律,以及控制点数目和面积误差之间的关系。基于正畸弓丝弯制机器人实验系统,针对一例患者的口腔参数,进行了正畸弓丝弯制实验研究,结果验证了正畸弓丝成形控制点规划策略的有效性。

经直肠超声探头位姿调整远心机构设计及实验研究

在临床手术中,最常用于诊断前列腺癌的方法是经直肠超声的前列腺活检手术。医生在手术期间需要全程手持超声探头进行反复调整,难以保证手术的效率、精度以及安全性。通过对经直肠超声引导下前列腺活检手术流程的分析,设计了一种7自由度被动式经直肠超声探头位姿调整远心机构。基于双平行四边形机构设计的姿态调整模块实现超声探头的定心功能,并对其进行运动学分析,基于SimMechanics对超声探头不同进给距离时的工作姿态和定心效果进行了仿真。研制了被动式经直肠超声探头位姿调整机构的物理样机,并进行了测量实验,实验结果可知超声探头不同进给距离时方位角远心点运动最大误差和俯仰角远心点运动最大误差分别为4和3.4 mm,均小于肛门处可承受的变形量6 mm。在不同方向下的随机误差相关性较弱,方位角和俯仰角的远心点运动误差置信区间均小于2.5 mm,最大相对定点误差和最大相对标准误差分别为14.73%和14.98%。仿真和实验结果以及测量误差的分析均验证了超声探头位姿调整机构定心性能的有效性和稳定性。

多电机驱动的牙弓曲线发生器的运动控制与实验研究

根据多电机驱动的牙弓曲线发生器的同步运动控制要求,本文就多电机驱动的牙弓曲线发生器进行了运动学分析.采用IPC+PC6401控制卡的硬件控制方案,基于VC++6.0开发平台,应用多线程技术实现多电机驱动的牙弓曲线发生器的实时闭环同步控制,并以多操作机排牙机器人为实验样机,进行了控制实验和排牙实验.实验结果表明,多线程技术的应用,避免了实时控制造成的主线程阻塞,实现了多电机驱动的牙弓曲线发生器的并行协调运动;通过误差分析和具体的排牙实验可知,该控制策略和技术路线满足了运动速度和定位精度的要求.

正畸弓丝与托槽间摩擦力建模及试验研究

正畸矫治过程中,正畸弓丝与托槽间的相对滑动趋势将产生摩擦力,进而降低有效矫治力,影响矫治的性能和效率.针对目前正畸摩擦力预测方法量化预测精度低的问题,依据正畸弓丝与托槽间的几何关系、力学关系及物理参数,提出一种基于分力叠加原理的计及接触角度的正畸摩擦力预测模型建立方法.探究影响正畸摩擦力的主要因素以及变化规律,提出采用有限滑动法测量正畸摩擦力,搭建了基于六维力传感器的正畸摩擦力测量系统,进行了不同弓丝-托槽组合和不同接触角度的摩擦力测量,试验数据与预测模型的理论数据间误差率处于0.55%~9.65%之间,证明该预测模型可为医师明确正畸矫治器参数-摩擦力-矫治力的关系提供理论依据,为实现数字化正畸提供理论支撑,保证个性化正畸方案的高效、高可靠性和高舒适度,最终达到轻力矫治的效果.

牙体预备机器人备牙轨迹规划及实验研究

龋齿作为人类三大重要防治疾病之一,严重影响了人们的口腔健康。牙体修复是治疗龋齿的重要手段,牙体预备是口腔修复龋齿的必要治疗环节。传统牙体预备依赖于医生手工操作并结合丰富的临床经验,需要对患龋牙齿进行大量的重复的微细调整。针对上述情况提出采用机器人辅助医生实现牙体预备可有效地提高备牙质量和口腔治疗的效果。通过分析医生预备过程的操作特点,确定后牙全冠预备的具体需求,明确牙体预备机器人的设计要求;利用曲面映射关系构造曲面片的约束条件进而确定预备体曲面上的型值点,并依据牙齿之间的相邻关系和功能将功能尖斜面分为3个曲面,基于NURBS曲面完成了3个曲面的插值;根据曲面的型值点和曲面片特征,基于等参数法实现了牙体预备机器人的备牙轨迹规划。设计并研制了牙体预备机器人的虚拟样机和物理样机,并进行了牙体预备实验研究,各个特征点在XYZ方向上的最大的相对定点误差分别为0.23、0.15和0.97 mm,系统误差的置信区间均稳定在0.3 mm以内。在不同方向下的各个特征点的随机误差相关性较弱,验证了备牙轨迹规划方法的正确性和机器人牙体预备的可行性。

个性化正畸弓丝成形规划方法及实验研究

传统手工弯制正畸弓丝弯制效率低、弯制精度不高,使用正畸弓丝弯制机器人弯制正畸弓丝能够克服上述缺点。根据临床上正畸医师常用的牙位标识方法对牙位进行了标识,使用贝塞尔曲线量化正畸弓丝在三维空间内的形状、位置和约束关系,采用插补的方式以离散的运动形式表达连续的状态,以实现正畸弓丝空间曲线的弯制,提出了基于有限点展成法的成形控制点的规划方法以及基于投影面角度合成的空间角度规划方法。通过对一例临床患者一组上颌的三维节点信息进行正畸弓丝弯制实验研究,证明了正畸弓丝机器人弯制方法的有效性。

牙弓曲线发生器的运动规划与仿真

针对牙弓曲线发生器需要协调控制的特点,对牙弓曲线发生器的运动规划进行了研究.基于牙弓曲线幂函数模型构建了牙弓曲线发生器,并进行了运动分析,基于弧长不变理论进行了牙弓曲线发生器控制点运动计算;提出基于牙弓参数等增量法实现了牙弓曲线发生器的运动规划,仿真结果表明:牙弓参数等增量规划法在牙弓曲线发生器运动过程中von mises应力最小,牙弓曲线发生器运动实际轨迹与仿真、理论轨迹近似吻合,结果证实了采用牙弓参数等增量法实现牙弓曲线发生器运动规划的可行性.

悬臂式前列腺粒子植入机器人重力矩平衡分析及实验研究

前列腺癌是男性泌尿系统最常见的恶性肿瘤,经会阴前列腺癌放射性粒子植入对于器官局限的早期低危前列腺癌是安全有效的治疗手段。传统的粒子植入手术是由医生手动完成的,由于手工操作的不确定性很难保证粒子植入的定位精度。提出采用机器人实现粒子植入手术,利用机器人的位姿精确控制能力解决手工操作不确定性导致的定位精度低的问题。进行了悬臂式粒子植入机器人的设计,由于悬臂结构产生的重力矩在工作时对机器人的运动稳定性产生影响,在对力平衡机构分析的基础上,在大小臂的回转关节处设计了十字交叉双弹簧平衡机构来平衡悬臂产生的重力矩,建立了悬臂式前列腺粒子植入机器人重力矩平衡的数学模型。利用Solidworks/Motion模块对引入十字交叉双弹簧平衡机构的悬臂式前列腺粒子植入机器人进行了运动仿真。基于悬臂式前列腺粒子植入机器人实验系统,分别进行了末端水平负载1 kg、竖直负载1 kg和水平竖直复合负载各1 kg情况下的平衡实验,实验和仿真结果表明悬臂式前列腺粒子植入机器人达到了设计时的预期目标,实现了重力矩的平衡。

垂直关闭曲与Omega曲组合正畸弓丝矫治力建模及实验研究

目前临床正畸治疗过程主要依赖医师经验,所施加矫治力大小难以量化。而在弓丝末端弯制Omega曲可以对同弓丝弯制的垂直关闭曲实现持续及多次加力的效果,减少医师和患者的临床治疗时间,提高正畸治疗效率。为了量化垂直关闭曲与Omega曲组合正畸弓丝在正畸过程中所产生的矫治力,分析一丝多曲组合正畸弓丝的受力特征,并基于梁微形变原理和相互作用力原理,建立垂直关闭曲与Omega曲组合正畸弓丝的矫治力力学模型。探究一丝多曲组合正畸弓丝弯制参数对矫治力的影响规律。通过构建一丝多曲组合正畸弓丝的三维模型和矫治力测量实验平台,进行有限元仿真分析和实验测量。将力学模型计算得到的计算数据和仿真分析得到的仿真数据分别与基于一维力传感器的矫治力测量实验得到的实验数据进行相关性分析,得到计算数据与实验数据的相关性系数ξT≥98.192%,仿真数据与实验数据的相关性系数ξA≥97.34%,验证了所建立力学模型的准确性及仿真模型和仿真过程的可靠性。该力学模型和仿真模型能够辅助医师安全、高效的设计个性化正畸弓丝,为正畸弓丝的应用提供理论依据,并进一步为临床数字化正畸治疗奠定基础。

正畸力测量装置的研究进展

固定矫治技术能够有效治疗错颌畸形,在正畸临床过程中,各矫治阶段所使用正畸弓丝产生的正畸力大小、矫治效果的预测多根据正畸医生的经验进行判断,治疗结果完全依赖于医生水平,易对患者造成伤害并降低治疗效率。若能准确的测量正畸弓丝产生的正畸力,实现正畸力量化表达,将对临床正畸治疗具有重要的应用价值。在概述了正畸治疗中牙齿移动的力学原理的基础上,对有关正畸力测量装置的研究现状进行综述,分析了该应用研究中存在的主要问题,并对正畸力测量装置的发展前景进行了展望。

基于ANSYS与ADAMS的柔性体联合仿真

针对多操作机排牙机器人系统中的牙弓曲线发生器难以用刚体形式进行运动仿真并进行应力应变分析的问题,基于柔性体仿真的基本原理,采用ANSYS和ADAMS软件对其进行了联合仿真。运行结果表明柔性体运动仿真问题已得到解决,并通过ANSYS软件分析了牙弓曲线发生器在静态和动态下的应力应变分布,为进一步进行机器人系统结构与误差的分析奠定了基础。

基于Matlab的机器人工作空间求解方法

在对现有的机器人工作空间求解方法对比研究的基础上,提出了一种新的基于Matlab的机器人工作空间求解方法——仿真法,利用Matlab/Simulink中的SimMechanics工具箱,根据机器人的结构进行建模,利用仿真的形式跟踪手臂末端轨迹,并记录其末端点到达的位置坐标,绘制和计算出机器人工作空间。此求解方法克服了传统方法中对机器人运动学正、反解求解的弊端,也克服了利用极限理论编程运算的复杂。笔者将仿真法与蒙特卡洛法进行比较,结果证明仿真法得到的工作空间,不论是求解速度、图形效果还是数值计算结果均优于蒙特卡洛法。

基于水平集的前列腺磁共振图像分割方法研究

基于前列腺磁共振图像(MRI)特征信息及其病变好发特定区域等先验知识,针对前列腺内外轮廓全分割问题,提出基于边缘距离调整水平集演化(DRLSE)的前列腺MRI两步分割方法。在构建统一水平集能量函数的基础上,第1步基于前列腺MR的T1(纵向弛豫时间)图像实现其外轮廓分割,第2步在外轮廓约束限定条件下,基于前列腺MR的T2(横向弛豫时间)图像实现前列腺的内部轮廓分割,进而完成前列腺内外轮廓的全面有效分割。设计了前列腺分割的人机交互界面,对10个前列腺病例MR图像(含正常、增生和癌变共30幅)进行了分割实验研究,并采用Dice相似性系数(DSC)对分割结果进行评价分析,DSC值达到90%以上。实验结果表明,所提出的基于边缘DRLSE的前列腺MRI两步分割方法能够有效地实现前列腺内外轮廓的全面分割,非常接近于临床专家手动分割的理想结果,对前列腺疾病的临床诊断和治疗有较好的参考价值。

柔索驱动的玻璃幕墙清洗机器人研制及实验研究

玻璃幕墙由于保温防潮性能好、实用美观,在城市建筑物中被广泛采用。但是目前对于玻璃幕墙的清洗,还主要是采用人工吊篮作业,工人劳动强度大、危险性高、效率低。受蜘蛛在空中拉动吐丝实现移动的启发,研制了一种由2根柔索驱动的玻璃幕墙清洗机器人。介绍了机器人的基本结构组成,设计了采用蜗杆减速器实现自锁保护功能、多槽主从动辊轮增大绳索摩擦力的机器人驱动部分,由储水罐、控制阀、喷头、清洗刷组成的清洗部分,以及由旋翼实现的机器人墙壁吸附部分。进行了机器人的工作空间计算、机器人运动时柔索收放控制分析和旋翼工作时机器人的受力分析。最后基于双柔索驱动的玻璃幕墙清洗机器人模型样机,进行了沿给定轨迹移动的实验和清洗实验。实验证明机器人满足了设计功能,达到了满意的清洗效果,结果验证了该模型样机的有效性和实用性。

斜尖针穿刺软组织建模及针尖轨迹预测

在经皮穿刺过程中,当带斜尖的针穿刺软组织时,针与其周围组织相互作用,导致针体产生弯曲变形,针尖偏离预定方向,进而直接影响穿刺手术的定位精度。将针穿刺软组织的过程视为准静态过程,并进行离散化,建立针-组织相互作用模型。在该模型中,考虑到软组织的非线性与各向异性,将针视为由一系列非线性弹簧支撑的悬臂梁,且各点的弹簧刚度彼此不同。建立针-组织相互作用中的摩擦力及切割力模型,借助于穿刺实验,将穿刺力分解为摩擦力和切割力,进而获得力模型中的各个参数。基于虚拟非线性弹簧模型和穿刺力模型,根据最小势能原理,采用瑞利-里兹法预测针的偏转,进而获得进针过程中针尖的轨迹。仿真及实验结果表明,该模型能够精确地预测针尖位置,为穿刺路径规划提供理论依据。

三明治双桥微结构催化燃烧式气体传感器的设计与实现

针对传统的催化燃烧式气体传感器因手工制作,造成配对难、一致性差、功耗高、不能互换等问题,基于硅MEMS技术设计并制造了一种集成双桥催化燃烧式酒精气体传感器。通过ANSYS有限元分析方法对传感器的温度场进行分析,采用硅氧化-PECVD-氧化工艺制作三明治结构的SiO2-Si3N2-SiO2微双桥结构载体,湿法腐蚀掉硅形成梁膜结构,减少热功耗。采用薄膜工艺制作铂膜敏感电阻,涂敷纳米Al2O3-ZrO-ThO形成载体,在敏感单元上浸渍pt-pd催化剂溶液,形成催化敏感桥臂,未涂覆催化剂载体构成参比单元,实现在微双桥上的芯片集成,制成传感器。电镜观察了Pt薄膜电阻的线条,能谱分析了载体敏感材料和补偿材料成分。测试结果表明:传感器可实现体积分数0~4 500×10-6酒精检测,具有良好的线性输出特性,温度为-20^+40℃和湿度范围为30%RH^85%RH的传感器的最大零点输出小于±2.0%FS,功耗≤0.2 W,响应恢复时间均在30 s以内。

个性化正畸弓丝曲线交互调整方法研究

数字化医疗技术是口腔正畸领域发展的必然趋势,临床上开始使用正畸弓丝弯制机器人技术辅助弯制正畸弓丝,而正畸弓丝的数字化表达是机器人弯制的前提。由于人类牙齿排列的个性化,弓丝形状设计的复杂性,难以实现精确地个性化正畸弓丝曲线数字化表达。提出一种个性化正畸弓丝曲线交互调整的设计方法,根据托槽上的基准点坐标,定义了正畸弓丝曲线的托槽直线段和过渡曲线段,过渡曲线段由3阶Bezier曲线数学模型构建。参考手工弯制正畸弓丝的过程,基于离散和组合的方式建立了正畸弓丝特殊功能曲的参数化数学模型及数学模型库。通过对托槽直线段的位置调整、过渡曲线段的形状改变、选择插入特殊功能曲的位置和类型的方式,进行了个性化正畸弓丝曲线交互调整方法的研究。基于LABVIEW软件平台设计了交互调整的软件,并进行调整实验,其结果证明个性化正畸弓丝曲线交互调整的方法具有可行性和有效性。